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1、题目 PLC在数控机床控制系统中的应用 班级 学生姓名 实习单位 指导老师 日期 PLC 在数控机床控制系统中的应用 摘要: 近年来, PLC 在工业自动控制领域应用愈来愈 广,它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出 的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC 技术的 发展 , 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也 越来越多。在机床的实际设计和生产过程中,为了提高数 控机床加工的精度,对其定位控制装置的选择就显得尤为 重要。永宏FBs 系列 PLC 的 NC 定位功能较其它PLC 更精 准,且程序的设计和调试相当方便。 本文提出的是如何应用永宏PLC 的 NC 定位控制实
2、现 机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求,在实际运 行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清 晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强,具有 良好的性能价格比等显著优点,其软硬件的设计思路可供 工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。 关键词:PLC;数控机床控制系统;应用;维护 前言 可编程序控制器,一般在机床刚工作状态需输出这些 参数作记录保存,待工作一段时间后,再将输出与原始资 料作比较、对照,可帮助判断机床工作是否维持正常。数 控装置是数控机床的核心与主导,完成所有加工数据的处 理、计算工作,最终实现数控机床各功能的指挥工作。它 包含微计算机的电路,各种接口电路、CRT 显
3、示器等硬件 及相应的软件。可编程控制器对主轴单元实现控制,将程 序中的转速指令进行处理而控制主轴转速。管理刀库,进 行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩 余寿命及刀具刃磨次数等管理。控制主轴正反转和停止、 准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动 作。还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等 进行控制。对输出信号(刀库、机械手、回转工作台等进行 控制。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成,主要 是检测速度和位移,并将信息反馈于数控装置,实现闭环 控制以保证数控机床加工精度。数控机床的工作过程如图2 所示。 图 2 数控机床的工作过程框图 数控加工的准备过程较复杂
4、,内容多,含对零件的结构认 识、工艺分析、工艺方案的制订、加项目序编制、选用工 装及使用方法等。机床的调整主要包括刀具命名、调入刀 库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项 工作内容。程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设 计合理性进行检查和调整。试切加工则是对零件加工设计 方案进行动态下的考察,而整个过程均需在前一步实现后 的结果评价后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进 行正式加工,并对加工后的零件进行结果检测。前三步工 作均为待机时间,为提高工作效率,希望待机时间越短越 好,越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利 用率的评价 (即机床实动率 。 3.2 机床数控系统
5、需要解决的几个问题 机床是由机械和电气两部分组成,在设计总体方案时 应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案,数控机 床的机械要求和数控系统的功能都很复杂,所以更应机电 沟通,扬长避短。机床控制系统选件、装配、程序编制及 操作都应该比较合理,精度和稳定性都必须满足使用要 求。同时为便于调试和检修,各项操作均设手动功能,如 手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关 等。 PLC 按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作,另 外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动 作的控制, PLC 发展成了取代继电器线路和进行顺序控制 的 主 要 产 品 ,在 机 床 的 电 气 控 制
6、中 应 用 也 比 较 普 遍 。 在实际控制中如何既能提高定位速度,同时又能保证 定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精 度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的 位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此 位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置 精度,一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小,另 一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控 制系统中,对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是 很难区分出来的,反馈检测元件的精度对系统的精度常常 起着决定性的作用。高精度的控制系统必须有高精度的检 测元件作为保证。当现场条件发生变化时,系统的某些
7、控 制参数必须能作相应的修改,为满足生产的连续性,要求 对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器 可以方便快速地改变原设定参数,但编程器一般不能交现 场操作人员使用。所以,应考虑开发其他简便有效的方法 实现PLC 的可变控制参数的在线修改。另外为了防止电压 过高损坏PLC,电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热, PLC 不许安装在变压器等发热元件的正上方,变频器与 PLC、伺服驱动器等保持一定距离。在元件间留有适当的空 隙,以便散热,并且在配电箱上安装风扇降温。此外,为 保证控制系统的安全与稳定运行,还应解决控制系统的安 全保护问题,如系统的行程保护、故障元件的自动检测 等。 第四章
8、在数控机床控制中的应用 4.1 永宏 FBs 系列 PLC 的 NC 机床定位伺服控制系统分析 数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备,提高数控 机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主 要定量指标之一,其定义为:产品在规定条件下和规定时间 内,完成规定功能的概率。对数控机床来说,这里的功能 主要指数控机床的使用功能,例如数控机床的各种机能, 伺服性能等。数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性 能的提升起着极为重要的作用,因此,它不同于一般配套 件和附件的选用,不仅须与数控机床的整体结构谐和协 调,融入整机系统具有最佳的匹配性能,而且还能很好地 彰显出该数控机床的个性化特征。用于高
9、速化的数控系统 不能仅是提高数据处理能力,而是应具备热误差补偿单元 以及能实现速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳 控制等先进控制技术的功能。所以必须选择稳定可靠的控 制单元才能保证数控机床正常高效运行。 鉴于以上各项要求,笔者采用台湾永宏电机股份有限公司 的 FBs-44MN PLC 作为该机床控制主单元,该型机具有较 高的性价比,体积小,使用起来非常方便,接线简捷。其 编程软件 WinProladder 有梯形图大师之称,易学易用且功 能强大,编辑、监视、除错等操作非常顺手,按键、鼠标 并用及在线即时指令功能查询与操作指引,使编辑、输入 效率倍增。同时配以人机界面进行程序参数修改、设定
10、以 及运行状态显示监控,可编程设置人机界面的内容。该控 制系统具有可靠性高,价格便宜,结构紧凑等特点,非常 适合机床的控制要求,具体控制思路如图3 所示。 图 3 采用永宏 PLC FBs-44MN 的 NC 机床定位电气控制系 统图 可编程逻辑控制器是该机床各项功能的逻辑控制中心,集 成于数控系统中,主要是指控制软件的集成化,而PLC 硬 件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。由图3 可以 看出,系统控制中心采用永宏PLC FBs-44MN 控制,并配 以人机界面进行程序参数修改、设定,以及运行状态显示 监控,可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流 伺服系统,各轴伺服电机通过连轴器
11、带动滚珠丝杠,以移 动配有直线导轨的工作台和主轴铣头,其定位准确,速度 快。主轴铣头由变频器控制,根据刀具及工件和进给量, 来设置主轴合理的转速,并在程序中设定它的启动停止。 各轴均设二端极限传感器和原点传感器,冷却和润滑也都 有异常检测,在报警灯和人机界面处显示报警信息由光 栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信 号,随时与给定值进行比较,将两者的差值放大和变换, 驱动执行机构,以给定的速度向着消除偏差的方向运动, 直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环 进给系统在结构上比开环进给系统复杂,成本也高,对环 境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获 得比开环进给
12、系统更高的精度,更快的速度,驱动功率更 大的特性指标。早期使用一般电机作为定位控制,因为速 度不快、或者精度要求不高,所以足够应对所需场合。当 机械运转为了获取效率而将速度加快时,当产品质量、精 度要求越来越高时,电机停止位置的控制就不是一般电机 所能达到的了。解决这一问题的最佳方法是采用NC 定位控 制配合步进或伺服电机作定位控制。但在过去,因为它的 价格很高,而限制了它使用的普遍性,近年来因为技术的 发展及成本的降低,其价位已被用户所接受,使用数量也 越来越多。为配合这一趋势,永宏PLC FBs 系列将目前市 面上专用的NC 定位控制器功能整合在PLC 内部 SoC芯片 内,除了免掉PLC
13、 与专用 NC 定位控制器之间复杂的数据 交换与连结程序外,更大幅降低整体成本,为用户提供一 种价廉物美、简单方便的PLC 整合 NC 定位控制的方案。 永宏 PLC FBs-44MN 内部的 SoC芯片含有多轴高速脉冲输 出以及高速硬件计数器,并且提供简易使用和设计的定位 程序编辑,对于这方面的应用,更是如虎添翼、如鱼得 水、得心应手了。PLC 结合伺服驱动器所构成的NC 闭环回 路控制系统中,PLC 负责发送高速脉冲命令给伺服驱动 器,除了装在伺服电机的位移检测信号直接反馈到伺服驱 动器外,外加位移检测器装在传动机构之后,真正反映实 际位移量,并将此信号反馈到PLC 内部的高速硬件计数 器
14、,这样就可作更精确的控制,并且可避免上述半闭环回 路的缺点。永宏PLC FBs 系列的定位功能将市面上专用NC 定位控制器整合在PLC 内,使 PLC 与 NC 控制器能共享相 同的数据区,而不需要作两个系统之间的数据交换与同步 控制等复杂的工作,但仍可用一般常用的NC 定位控制指令 (例如 DRV、SPD等。PLC 控制 4 轴的定位工作,并可 作多轴同动控制,除了提供点对点的定位速度控制,还提 供了各轴间直线插补功能。当系统应用超过4 轴时还可利用 永宏 PLC 的 CPU LINK 功能达到更多的定位运动控制。数 控机床对位置系统要求的伺服性能包括:定位速度和轮廓切 削进给速度。定位精度
15、和轮廓切削精度。精加工的表面粗 糙度。在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服 系统的静态、动态特性。对闭环系统来说,总希望系统有 较高的动态精度,即当系统有一个较小的位置误差时,机 床移动部件会迅速反应。在数控机床的加工中,伺服系统 为了同时满足高速快移和单步点动,要求进给驱动具有足 够宽的调速范围。 单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使 用。伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界 限和实际加工要求,高速度固然能提高生产率,但对驱动 要求也就更高。此外,从系统控制角度看也有一个检测与 反馈的问题,尤其是在计算机控制系统中,必须考虑软件 处理的时间是否足够。全闭环伺服
16、系统是将位置检测元件 置于被测坐标轴的终端移动部件上,以检测机械传动链中 螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差,并进行反 馈补偿控制,从而提高机床的位置控制精度。在全闭环伺 服控制系统中,对位置检测元件和反馈元件的选择很关 键。感应同步器具有精度高、重复性好、抗干扰能力强, 耐油耐污及维护简单等优点,特别适合于高精度全闭环数 控机床的工作场合。数控机床要求具备稳定性、快速性和 准确性,而大型数控机床的机械传动装置转动惯量较大, 固有频率低,要使其大大高于系统截止频率很困难,全闭 环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的非线性因素,调 整不当很容易使机床产生抖动现象。 因此数控机床全闭环伺服系统
17、在保证快速性的基础上主要 是解决机床进给运动的稳定性而获得比半闭环伺服系统高 的位置精度。伺服电机的编码器将位移检测信号反馈到伺 服驱动器,驱动器将输入信号的脉冲频率和脉冲数与回馈 信号的频率和脉冲数,经内部的偏差计数器与频率转电压 电路处理后,得到脉冲偏差值与转速误差值,这样使控制 伺服电机实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系 统。伺服电机的转速与输入信号的脉冲频率成正比,而电 机的移动量则由脉冲数决定。图4 是 PLC 控制下的伺服电 机工作示意图。 图 4 数控机床伺服电机工作示意图 4.2 相关程序设计与操作 PLC 通过编程器输入程序,达到控制目的。因为PLC 工作 过程是循环,
18、所以程序执行速度很快。另外软件故障检测 设计在采用硬件设计的基础上采用软件检测外部行程开关 状态,当行程开关失灵后,通过程序控制停止机床的运 行,有效地减少了机床因元件失灵造成的事故。 图 5 是使用编程软件WinProladder 编辑定位程序参数设定 指令图,图6 是具体操作加项目序图。 图 5 定位程序参数设定指令图 图 6 加项目序图 写在最后,我国是一个机床生产和应用大国,但数控 技术的应用水平还不高,严重制约着我国制造业水平的提 高。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出 了严峻的挑战,同时也带来了机遇。只有选择合适的PLC 才能使定位达到预期的效果。永宏FBs 系列 PL
19、C 的 NC 定 位功能在机床数控系统设计中占有重要的地位,该机床经 过长期运行表明,整个系统设计合理,控制精度高,运行 可靠,提高了生产的自动化水平,减小了操作人员的劳动 强度。 结束语 在论文完成之际,我要感谢所有关心我的老师和同 学。感谢他们长期以来对我的支持、帮助和鼓励,使我大 专阶段的学习和生活变得充实、积极而有意义。 首先,感谢尊敬的指导老师,感谢老师在百忙之中抽 出时间对我的毕业设计进行精心指导,在我的成绩中,有 您的指导,有您辛勤的汗水,研究工作自始自终都得到了 老师的亲切关怀和悉心指导。在这几年的学习和生活中, 老师给予了我无微不至的关心、帮助和支持。老师严谨的 治学态度、勤奋的工作精神、对事业孜孜不倦的专研精神 深深影响着我,并将使我受益终生。 最后,感谢机械系这个温暖集体中所有的老师和同 学,在这五年的大专生活中,他们给我的无私帮助和深深 的友情使我的学业生涯变得绚烂多姿! 参考文献 1 王也仿 ,可编程控制器应用技术,机械工业出版社,2001 2 王永华,现代电气及可编程控制技术,北京航空航天大 学出版社, 2002 3 方承远 , 工厂电气控制技术(第三版 ,机械工业出版社, 2006 4 龚运新,三菱PLC 实用技术教程,北京师范大学,2007 5 蔡红斌,电气与PLC 控制技术,北京清华大学出版社, 2007
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